电源系统中的单元电路_电源技术概要㈡
时间：02-19
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在《电源技术概要㈠》中，我们介绍了电器系统中使用的各式各样的电源。使我们感到要深入研究，或者全面掌握电源技术似乎比较困难。其实我们可以换一个思路，尽管电源的类别很多，但是各数类型的电源，都可以看成是由一些功能模块（或者称为单元电路，下同）组合而成，而这些组成电源的功能模块其实数量并不多，只要清楚了这些单元电路的工作原理和结构特征，就很容易全面掌握电源技术要领。本节将首先简要说明这些单元电路的基本作用、基本原理。更详细的细节知识，设计要求，以及如何通过这些单元电路组成我们需要的电源系统，等等问题将在后面的文章中专门探讨。
二、电源系统基本单元电路介绍
1、 整流与滤波电路（AC/DC）
整流电路的作用就是将极性双向变化的交流电或者双向脉冲电，转变成为单向脉冲电，单向脉冲电再经过滤波电路的积分作用就成为直流电。因此整流和滤波电路的共同作用，才能完成了交流电到直流电的转化。
普通二极管的单向导电性，是构成基本整流电路的基础。以下是三种二极管整流电路原理图，它们分别是：半波整流、全波整流、桥式整流。
二极管的参数（型号）依工作电压和最大输出功率确定，如果所整流的对象是非50HZ交流电或者是非正弦波脉冲，还需要考虑二极管的频率特性（开关特性）。
下图是一种可以同时输出两种电压的特殊整流电路，此电路常常使用在需要适应两种不同标准（美国标准110V，中国标准220V）工频电压的电器中。
还可以通过多级倍压的方法获得更高的整流输出直流电压，如下图所示：
此外，也可以使用可控硅器件，构成输出电压连续可调的整流电路。
图中，通过改变每一个正弦周期中可控硅的触发时间，控制导通角，达到调整输出电压的目的。
还可以使用工作于开关状态的功率场效应管构成开关同步整流电路。由于在大电流工作状态下，场效应比二极管的导通电压更低，开关特性更好，因此同步整流电路比较适合用在大电流低电压的高频脉冲整流中。下图是使用了两只场效应管（SR1、SR2）构成的自驱动同步整流电路。
下图是由MAX1638构成的直流变换器电路，其中输出端采用了同步整流为外驱动方式。
2、 线性稳压电路
下图是最基本的串联型反馈式线性稳压电路的原理图。其中，VZ是是普通的稳压二极管，用来产生基准电压，T1是调整管，R1、R2构成对输出电压的取样电路。
串联型反馈式线性稳压电路的稳压过程是：输出电压取样，与基准电压比较，获得输出电压的误差量，对调整器件实施反馈控制，改变其电流导通量，达到修正输出电压的目的，属于电压型负反馈类型。
3、 开关稳压电路
开关稳压电源的控制方式，也是采用了与线性稳压电源相同的电压型负反馈类型，也分为串联和并联两种类型。最大的区别是：调整器件工作于高频率的通断状态，通过改变通断的时间比例（脉冲占空比），来改变平均电流值，达到修正输出电压的目的。基本原理参见以下方框图。
4、 恒流输出的方法及电路
所谓恒流输出是指，当输入电压或者负载阻抗在一定范围内变化时，电源能够保持对负载的输出电流恒定不变。实现恒流输出的基本方法是采取电流反馈。下图所示是线性恒流电源的组成方框图，同样可以采用与开关稳压电源类似的调整方式，实现电源恒流输出。
5、 直流电压变换（DC/DC）方法
电压变换是指电压高低的变换，即升压或者降压。交流电压的升降变换，一般通过普通的变压器就可以完成。而直流电压不能够简单地直接变换，需要通过功率脉冲振荡器，先将直流电转变成为脉冲交流电，再通过脉冲变压器升压或者降压，最后经过整流滤波电路还原成为直流电，它实际上属于开关电源的一种类型。
在高压大功率应用场合。为了减小高压大功率变换器开关器件的电压应力，提出了三电平直流变换器的方案，该方法可使开关管的电压应力是输入直流电压的一半。其变换过程如下图所示：
选用高的振荡频率，有助于大幅度减少脉冲变压器的体积，但却带来了对功率开关调整器件频率特性的更高要求，也加大了EMC设计的难度。所以一般选择几十千赫兹到兆赫兹范围的振荡频率。
6、 逆变（DC/AC）方法
逆变就是把直流电转变成为工频交流电。最简单直接的逆变方法，就是使用工频正弦波信号去驱动低频功率放大器，从放大器输出端获得工频交流电，再经过普通铁磁变压器获得所需要的电压值。这种方法的主要缺点是，成本高、转化效率低、输出功率有限。
现代逆变器多数采用了PWM（脉冲宽度调制）技术，获得大功率、高效率的交流逆变输出，基本工作原理如下图左所示，下图右是脉冲变压器付边的电流、电压波形。
7、变压器及电源隔离技术
变压器是电源系统中不可缺少的主要部件，铁磁变压器笨重，用于变换工频交流电的电压；铁氧体材料的脉冲变压器轻巧、低成本，适合用来变换高频率的脉冲电压。变压器原边与付边之间是通过磁场传递能量，原边与付边之间没有电接触，因此在电源系统中，变压器还有一个重要的作用，就是实现原边与付边的电隔离。下图是使用TOP202Y构成的小功率低输出电压开关电源原理图，其中通过脉冲变压器以及光电偶合器，实现了输入输出的完全隔离。
二、电源系统基本单元电路介绍
1、 整流与滤波电路（AC/DC）
整流电路的作用就是将极性双向变化的交流电或者双向脉冲电，转变成为单向脉冲电，单向脉冲电再经过滤波电路的积分作用就成为直流电。因此整流和滤波电路的共同作用，才能完成了交流电到直流电的转化。
普通二极管的单向导电性，是构成基本整流电路的基础。以下是三种二极管整流电路原理图，它们分别是：半波整流、全波整流、桥式整流。
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二极管的参数（型号）依工作电压和最大输出功率确定，如果所整流的对象是非50HZ交流电或者是非正弦波脉冲，还需要考虑二极管的频率特性（开关特性）。
下图是一种可以同时输出两种电压的特殊整流电路，此电路常常使用在需要适应两种不同标准（美国标准110V，中国标准220V）工频电压的电器中。
还可以通过多级倍压的方法获得更高的整流输出直流电压，如下图所示：
此外，也可以使用可控硅器件，构成输出电压连续可调的整流电路。
图中，通过改变每一个正弦周期中可控硅的触发时间，控制导通角，达到调整输出电压的目的。
还可以使用工作于开关状态的功率场效应管构成开关同步整流电路。由于在大电流工作状态下，场效应比二极管的导通电压更低，开关特性更好，因此同步整流电路比较适合用在大电流低电压的高频脉冲整流中。下图是使用了两只场效应管（SR1、SR2）构成的自驱动同步整流电路。
下图是由MAX1638构成的直流变换器电路，其中输出端采用了同步整流为外驱动方式。
2、 线性稳压电路
下图是最基本的串联型反馈式线性稳压电路的原理图。其中，VZ是是普通的稳压二极管，用来产生基准电压，T1是调整管，R1、R2构成对输出电压的取样电路。
串联型反馈式线性稳压电路的稳压过程是：输出电压取样，与基准电压比较，获得输出电压的误差量，对调整器件实施反馈控制，改变其电流导通量，达到修正输出电压的目的，属于电压型负反馈类型。
3、 开关稳压电路
开关稳压电源的控制方式，也是采用了与线性稳压电源相同的电压型负反馈类型，也分为串联和并联两种类型。最大的区别是：调整器件工作于高频率的通断状态，通过改变通断的时间比例（脉冲占空比），来改变平均电流值，达到修正输出电压的目的。基本原理参见以下方框图。
4、 恒流输出的方法及电路
所谓恒流输出是指，当输入电压或者负载阻抗在一定范围内变化时，电源能够保持对负载的输出电流恒定不变。实现恒流输出的基本方法是采取电流反馈。下图所示是线性恒流电源的组成方框图，同样可以采用与开关稳压电源类似的调整方式，实现电源恒流输出。
5、 直流电压变换（DC/DC）方法
电压变换是指电压高低的变换，即升压或者降压。交流电压的升降变换，一般通过普通的变压器就可以完成。而直流电压不能够简单地直接变换，需要通过功率脉冲振荡器，先将直流电转变成为脉冲交流电，再通过脉冲变压器升压或者降压，最后经过整流滤波电路还原成为直流电，它实际上属于开关电源的一种类型。
在高压大功率应用场合。为了减小高压大功率变换器开关器件的电压应力，提出了三电平直流变换器的方案，该方法可使开关管的电压应力是输入直流电压的一半。其变换过程如下图所示：
选用高的振荡频率，有助于大幅度减少脉冲变压器的体积，但却带来了对功率开关调整器件频率特性的更高要求，也加大了EMC设计的难度。所以一般选择几十千赫兹到兆赫兹范围的振荡频率。
6、 逆变（DC/AC）方法
逆变就是把直流电转变成为工频交流电。最简单直接的逆变方法，就是使用工频正弦波信号去驱动低频功率放大器，从放大器输出端获得工频交流电，再经过普通铁磁变压器获得所需要的电压值。这种方法的主要缺点是，成本高、转化效率低、输出功率有限。
现代逆变器多数采用了PWM（脉冲宽度调制）技术，获得大功率、高效率的交流逆变输出，基本工作原理如下图左所示，下图右是脉冲变压器付边的电流、电压波形。
7、变压器及电源隔离技术
变压器是电源系统中不可缺少的主要部件，铁磁变压器笨重，用于变换工频交流电的电压；铁氧体材料的脉冲变压器轻巧、低成本，适合用来变换高频率的脉冲电压。变压器原边与付边之间是通过磁场传递能量，原边与付边之间没有电接触，因此在电源系统中，变压器还有一个重要的作用，就是实现原边与付边的电隔离。下图是使用TOP202Y构成的小功率低输出电压开关电源原理图，其中通过脉冲变压器以及光电偶合器，实现了输入输出的完全隔离。
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